脂聯素在運動調節自噬并緩解阿爾茨海默病過程中的效應及機制*

簡 曄， 劉文鋒，2△， 袁順靈

（1湖南師范大學體適能與運動康復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410012；2湖南師范大學蛋白質化學與發育生物學教育部重點實驗室，湖南 長沙 410081）

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）是一種神經系統退行性疾病，常稱為老年性癡呆，由德國神經病理學家Alois Alzheimer 發現。大多數研究認為AD 的發病機制主要有tau 蛋白假說、β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）瀑布學說、膽堿能學說、氧化應激學說和神經炎性假說等［1］。在AD 發病機制中Aβ 沉積和tau 蛋白過度磷酸化是重要的影響因素，而自噬是解決細胞中聚集的Aβ 和過度磷酸化tau 蛋白的主要途徑［2］。因此，自噬的調節是治療AD 的可能方法［3］。現有研究認為，運動能通過調節自噬促進Aβ 的降解和磷酸化tau 蛋白的清除［4-8］，但其具體機制尚不明確。

脂聯素（adiponectin，APN）是一種由脂肪組織分泌的具有224 個氨基酸的蛋白質激素，其結構形式有3 種，分別為三聚體、六聚體和多聚體［9］。在體內，脂聯素受體（adiponectin receptor，AdipoR）可分為AdipoR1、AdipoR2和T-鈣黏蛋白，其中AdipoR1和AdipoR2 是APN 的主要受體，AdipoR1 激活AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通路，AdipoR2 激活過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferator-activated receptor- α，PPARα）通路［9］。APN 能通過調節和改善神經突觸、胰島素信號傳導、葡萄糖/脂肪酸代謝、炎癥、氧化應激和神經保護/發生等6個方面對AD 產生緩解作用，而這些作用主要是通過調節磷脂酰肌醇3-激酶（phospha?tidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein ki?nase B，PKB/Akt）/哺乳動物的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路、AMPK 信號分子和膠質細胞實現的［10］。PI3K/Akt 信號通路和AMPK 信號分子對自噬調節起到關鍵作用［11-12］，提示APN 可能通過PI3K/Akt 和AMPK 信號通路對自噬起調節作用。研究表明，APN 的表達受骨骼肌狀態的影響，體育鍛煉與APN 表達和循環濃度變化有明確的關系［13］；此外，運動能對APN及其受體產生影響［14-15］。這為解釋運動如何調節AD 腦細胞自噬提供了新視角。

本文圍繞AD 自噬異常導致認知功能受損、運動緩解AD自噬異常提高認知能力、運動通過APN調節自噬及相關分子機制等內容進行綜述。

1 運動調節AD自噬

1.1 AD 自噬異常導致認知功能受損自噬是細胞內粗面內質網脫落的雙層膜將胞質內過度堆積的蛋白質、受損的細胞器等細胞成分包被，然后與溶酶體融合形成自噬溶酶體進行降解，從而維持細胞代謝平衡和實現細胞自我更新的一種分解代謝途徑［16］。自噬在正常神經元中是基礎性活躍和高效的，而在AD中出現自噬功能障礙［16-17］。在AD中，自噬的過度抑制導致Aβ 和異常tau 蛋白沉積，而在溶酶體清除能力受損時，自噬的過度激活可能會促進病變發展和細胞凋亡［17］。mTOR被認為是自噬的負調節因子，主要受PI3K/Akt 和AMPK 調控［11-12，17］。然而，這2 條途徑在AD 中均出現了異常。一方面，PI3K 能夠接受細胞外刺激，使得Akt 磷酸化，進而激活mTOR，抑制自噬，并減輕tau 蛋白的磷酸化，減少細胞凋亡［11］。在AD 的早期階段，Aβ 的形成會抑制PI3K/Akt 信號通路誘導自噬代償性增強，而該信號通路被抑制會減弱參與Aβ 降解的胰島素降解酶活性和α-分泌酶表達，增強β-分泌酶表達，持續增加腦內Aβ含量，形成惡性循環，導致自噬過度激活，神經細胞凋亡，認知能力下降［18-19］。隨著AD 病情發展，腦組織PI3K/Akt 信號通路會被過度激活誘導mTOR 過度活躍，導致自噬抑制，Aβ 沉積增加伴隨認知功能衰退［20］。此外，在ApoE?/?小鼠腦組織中，p-tau 蛋白含量隨著月齡先急劇升高后緩慢增加，恰恰符合了PI3K/Akt 活性隨月齡先減弱后增強的變化［21］。另一方面，AMPK能夠通過磷酸化結節性硬化復合體1/2（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）和與mTOR 結合的Raptor 來調節mTOR，進而誘導自噬；同時，AMPK 的激活能夠直接磷酸化絲氨酸（serine，Ser）上的Unc-51 樣自噬激活激酶1（Unc-51-like autophagy-activat?ing kinase 1，ULK1），提高ULK1的活性，進而誘導自噬［12］。有研究發現，在AD 小鼠海馬中AMPK 被激活，mTOR 被抑制，自噬溶酶體重組相關蛋白表達增多；而通過抑制AMPK活性、激活mTOR能夠減輕AD小鼠認知功能障礙和神經元凋亡［22］。相反的是，7月齡APP/PS1雙轉基因小鼠大腦中AMPK 活性顯著降低，mTOR 活性增強，自噬體形成主要標志微管相關蛋 白1 輕 鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）-II/LC3-I 比值顯著降低，Aβ 積累增多，并出現學習與記憶功能障礙［23］。以上研究提示，AD腦細胞的自噬缺陷與PI3K/Akt 及AMPK 通路的異常變化存在密切聯系。

1.2 運動改善AD 自噬異常自噬與AD 之間存在雙向關系。一方面，自噬會隨著AD 的發展變得異常，加劇Aβ 和異常tau 蛋白的堆積，導致病情不斷惡化；另一方面，通過對自噬的調節能夠有效地促進AD腦中Aβ和異常tau蛋白的清除和降解［3］。

體育鍛煉能夠通過激活PI3K/Akt 和AMPK 通路調節自噬，恢復自噬的基礎活躍和高效性，從而預防或減輕AD 認知功能障礙。（1）在PI3K/Akt方面，研究發現，12 周跑臺運動使APP/PS1轉基因小鼠海馬內PI3K/Akt 信號通路和ULK1 表達顯著增強，而mTOR表達水平下降，自噬增強，并且認知能力提高［4］。12周跑臺運動可提高tau 蛋白病模型小鼠大腦皮層PI3K/Akt 通路的磷酸化水平，抑制mTOR，增加自噬蛋白beclin-1 和LC3-II 水平，降低選擇性自噬接頭蛋白sequestosome-1/p62 的水平，促進自噬，使tau 蛋白過度磷酸化和認知功能得到改善［5］。有趣的是，有研究發現，5 個月的運動訓練干預使7 月齡3xTg-AD小鼠腦組織中胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）水平有升高趨勢，組織蛋白酶B、溶酶體相關膜蛋白2（lysosomal-associated membrane protein-2，LAMP-2）、LC3-I等自噬標志物表達顯著下調，Aβ 蛋白水平降低，從而起到一定的神經保護作用［24］。這提示運動還可能存在抑制AD 過度自噬的情況，有待進一步研究證實。（2）在AMPK 方面，研究發現，8周跑臺運動提高了AD 大鼠p-AMPK、beclin-1和LC3-II 的水平，從而激活自噬，減輕了CA1 區海馬神經元的損傷，并增強了記憶能力［6］。10 周常規中等強度有氧運動能夠顯著提高各年齡組大鼠紋狀體的AMPK 活性，并上調beclin-1 和LC3-II 等自噬標志物的表達，挽救了紋狀體的形態結構［7］。（3）運動不僅通過PI3K/Akt 和AMPK 通路調節自噬活躍性，還加強了自噬溶酶體途徑的功能。研究發現，12 周有氧跑臺運動不僅提高AD 小鼠海馬細胞LC3-II/LC3-I比值和ULK1 表達，促進自噬啟動和形成，還提高溶酶體降解酶——組織蛋白酶D 和溶酶體融合蛋白Rab7 水平，促進溶酶體降解功能和自噬體與溶酶體融合，進而提高細胞自噬通量，減緩認知功能衰退［8］。長期運動通過上調小鼠皮質、海馬和紋狀體中轉錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）表達及核轉位，增強溶酶體功能，從而調節自噬溶酶體途徑［25］。以上研究提示，運動很可能通過激活AMPK和PI3K/Akt通路調節AD 自噬的異常變化，并通過增強自噬溶酶體途徑提高自噬通量，從而減緩認知功能衰退。

2 運動調節APN改善AD自噬

2.1 運動促進APN 及其受體表達有關運動對APN 的影響，大量研究表明，不同的運動強度、運動時間、運動方式、實施對象和運動持續期對APN產生的影響不盡相同，并且在不同的觀察時相APN 水平也會存在差異［14，26-28］。研究發現，12 周（每周3 d）的耐力和阻力訓練相結合的訓練使老年人血清APN較運動前增加了55%，并且顯著高于對照組［14］。在動物實驗中發現，老年肥胖大鼠經過8 周運動后，其脂肪組織APN mRNA 表達水平和血漿APN 水平均顯著提高［29］。雖然有研究表明，急性跑步會降低腦脊液APN水平［28］。無論男女在單次急性運動后即刻檢測血漿APN 水平均無明顯變化［26］。但有研究發現，在急性運動后的運動恢復期，APN 水平升高，認為APN 的變化具有時相性特征［27］。以上研究表明，運動能使血液中APN 水平升高，尤其是長期鍛煉。此外，循環APN 能穿過血腦屏障進入腦內，提高腦中APN 水平，進而促進神經發生［30］。自愿跑步提高應激與非應激小鼠海馬組織和血液中APN 水平，并促進海馬神經元發生［31-32］。這提示運動提高腦和循環APN水平。

運動不僅能提高APN 水平，還能影響AdipoR 表達。許多學者認為，長期的運動訓練使得胰島素抵抗減輕，可能不僅僅是由于提高了APN水平，還是通過使AdipoR 表達增強，進而影響AdipoR 的下游信號通路實現的［26］。健康小鼠急性運動后骨骼肌和肝臟中AdipoR1 表達水平顯著升高，而AdipoR2 的mRNA水平降低［15］。代謝綜合征小鼠肌肉中AdipoR2 表達增加，而8 周運動訓練后觀察到小鼠肌肉中AdipoR1表達增加，并逆轉了高脂飲食導致的一些副作用（如熱量攝入增加、血糖增加等）［33］。運動訓練能增加肝臟、脂肪和骨骼肌組織中的AdipoR1-2/磷酸酪氨酸銜接蛋白1，同時降低小鼠由于高脂飲食導致的胰島素抵抗程度及提高胰島素作用［34］。目前只發現運動對腦以外其他組織中的AdipoR 產生影響。但有研究表明，APN 能促進腦組織中AdipoR1 的表達［35］。因而運動很可能通過提高腦組織中APN 含量促進AdipoR1的表達。

2.2 APN 調節自噬APN 與AD 自噬存在關聯。研究發現，APN敲除小鼠表現出空間記憶和學習障礙，還出現了AD 的病理特征，包括腦Aβ42水平增加、Aβ沉積、tau 蛋白過度磷酸化、小膠質細胞和星形膠質細胞增生、神經元凋亡增加和突觸蛋白減少［36］。外源性APN預處理可以明顯提高AD小鼠的空間學習、記憶等認知功能，減輕AD 小鼠腦內Aβ 沉積，減少tau 蛋白過度磷酸化［37］。APN 在硫化氫逆轉抑郁樣大鼠海馬組織過度自噬和突觸受損中發揮關鍵作用［38］。APN 旁系同源物C1q/腫瘤壞死因子相關蛋白1 具有抑制小膠質細胞自噬和炎癥反應的作用［39］。APN 能夠抑制脂多糖誘導的巨噬細胞過度自噬，從而減輕炎性損傷［40］。APN 處理可逆轉整體性腦缺血再灌注誘導的神經元自噬下降和細胞凋亡［35］。這提示APN 對AD 的有益作用可能是部分通過對自噬的調節實現的。

通過自噬保護神經元，僅僅是調節自噬的啟動和形成是不夠的，還應當重視對自噬降解階段的調節，以提高自噬通量。在AD 有關的研究中發現，盡管自噬分子的表達和形成顯著高于對照組，AD 的病情卻不斷惡化［18，22，41］。APN 也能起到類似運動改善自噬溶酶體途徑的功能［8，25］。研究表明，APN缺乏引起腦組織中溶酶體功能障礙，導致自噬/溶酶體途徑受損，Aβ沉積，認知能力下降，而AdipoR激動劑治療逆轉上述變化［42］。在老年雄性adipoq（編碼APN 的基因）?/?小鼠的心肌細胞中，APN 治療能夠通過促進自噬體與溶酶體的融合并增加溶酶體組織蛋白酶B的活性來提高自噬通量［43］。用AdipoR 激動劑治療患有糖尿病的小鼠，可刺激其自噬體形成，同時提高自噬體清除率，減少自噬體堆積，從而改善心臟功能，而低APN 血癥會損害自噬通量［44］。這提示APN對自噬的調節在一定程度上是通過改善自身溶酶體途徑實現的。

激素作用的發揮與受體相關聯。AD 過程破壞AdipoR 會減弱APN 的下游信號通路活性［45］。因此對于APN生物學效應的發揮，不僅要關注AD的APN水平，還應關注AD 腦內的AdipoR。研究發現，在老年5×FAD 小鼠腦中AdipoR 的表達出現了明顯紊亂，AdipoR 在神經元處表達降低，位于內皮的AdipoR1表達減少，但活化的星形膠質細胞中AdipoR2 表達強烈［45］。在APP/PS1小鼠、APN敲除小鼠和老年AD患者大腦中AdipoR1的表達均顯著降低，且AMPK活性均顯著下降，IRS-1 在Ser636/312/307 過度磷酸化，而APN 模擬物的使用逆轉了上述變化，從而增強AD動物的認知功能［46］。這提示AD 腦內AdipoR 受損可能加重APN對自噬的調節障礙，從而導致自噬異常。

綜合上述研究，運動促進APN 及其受體的表達是運動調節AD自噬、改善認知功能的重要途徑。

3 運動通過APN調節AD自噬的可能機制

3.1 運動通過APN/AdipoR1/AMPK 激活自噬運動對大腦的有益作用很多是通過APN實現的。研究表明，體育鍛煉通過增強中年小鼠APN-Notch 通路，促進海馬神經發生，從而提高認知功能，但APN缺乏會減弱體育鍛煉所帶來的上述有益效果［47］。無論是否有壓力的條件下，運動都能通過上調小鼠海馬組織中APN水平，促進海馬神經元發生，從而減輕小鼠抑郁樣行為，但APN 缺乏會消除運動的這種有益作用［31-32］。2周自愿運動能顯著恢復1型糖尿病小鼠海馬神經元發生，但APN敲除會消除這一有益變化［48］。這提示APN在體育鍛煉保護腦組織結構和改善認知功能的有益作用中扮演重要角色。而自噬信號通路就在很大程度上受到APN 的影響。（1）在AMPK 方面，運動通過促進APN 表達提高AMPK 活性，進而調節自噬。研究發現，自愿運動提高了小鼠海馬組織和循環中APN 水平，同時顯著上調了AMPK 活性，并且APN 和AMPK 存在一定相關性［31-32］。在人膠質母細胞瘤N2a/APPswe 細胞中，AdipoR 激動劑處理和AdipoR1 過表達均能促進自噬，抑制Aβ 水平，而AMPK 抑制劑處理逆轉上述變化［42］。AdipoR 激動劑通過激活APP/PS1小鼠腦內AdipoR1/AMPK 而減少Aβ 沉積，促進受損海馬神經干細胞的增殖，從而改善認知功能［49］。在糖尿病小鼠中，激活AdipoR1 可促進AMPK 介導的自噬體形成及抗氧化劑介導的自噬體清除［44］。APN 處理可增加腦組織中AdipoR 的表達和AMPK 的磷酸化，進而逆轉整體性腦缺血再灌注誘導的神經元自噬下降和細胞凋亡［35］。9 月齡AD 小鼠海馬中星形膠質細胞和小膠質細胞活性過高，p-AMPK 水平下降，但APN 預處理能夠有效抑制星形膠質細胞和小膠質細胞的過度活化，并提高p-AMPK 水平［50］。以上研究提示，運動通過上調APN/AdipoR1/AMPK通路激活AD腦細胞自噬（圖1）。

Figure 1.Possible mechanism of exercise activating autophagy through adiponectin （APN）/adiponectin receptor 1（AdipoR1）/AMP-activated protein kinase （AMPK）signaling pathway.Exercise increases the expression of APN and AdipoR1 in the brain.The latter activates its downstream signal molecule AMPK，which pro?motes the expression of the mammalian target of rapa?mycin（mTOR）negative regulator tuberous sclerosis complex 1/2（TSC1/2）and weakens the mTOR activi?ty essential protein Raptor，thereby inhibiting mTOR activity and up-regulating autophagy activity.At the same time，AMPK directly promotes autophagy by ac?tivating the downstream signaling molecule Unc-51-like autophagy-activating kinase 1（ULK1），thereby inhibiting Aβ and abnormal tau content.圖1 運動通過APN/AdipoR1/AMPK激活自噬的可能機制

3.2 運動通過APN/PI3K/Akt 抑制自噬APN 在運動激活PI3K/Akt信號通路方面具有重要作用。研究發現，2周的自愿跑輪提高了小鼠海馬組織和血清中APN 含 量 及AMPK 活性，并輕 度 增加p-Akt/Akt 比值［31］。急性運動能引起肥胖和瘦小鼠血清APN及下丘腦中APN 途徑相關蛋白表達和含量的增加，如PI3K［51-52］。APN 可通過激 活AD 大 鼠腦內PI3K/Akt信號通路，增加神經細胞樹突分支，減輕tau 蛋白過度磷酸化和認知功能損傷［53］。在脂多糖誘導的巨噬細胞炎癥損傷模型中，p-Akt水平下降，LC3-B表達升高，自噬水平顯著升高，細胞炎癥水平升高，但APN處理后發生逆轉，p-Akt 升高，LC3-B 降低，過度自噬被抑制，炎癥水平下降，并且在使用Akt 抑制劑后這些逆轉作用消失［40］。以上研究提示，運動可能通過激活APN/PI3K/Akt 通路抑制AD 腦細胞自噬的過度活躍，同時抑制tau 蛋白過度磷酸化。此外，AMPK在APN促進PI3K/Akt信號通路活性增強中發揮重要的中介作用。研究發現，APN 提高AD 小鼠海馬體中AMPK 和IRS-1 的表達，而AMPK 抑制劑消除了APN對IRS-1 表達的促進作用［54］。 AdipoR1 通過激活AMPK 通路調節胰島素敏感性，減輕胰島素抵抗［55］；胰島素可以通過IRS-1激活PI3K/Akt信號通路，抑制叉頭框蛋白O1（forkhead box protein O1，FoxO1）與AdipoR1啟動子的結合，進而影響AMPK 的激活，形成負反饋［56］。這提示，AMPK 的激活能夠引起PI3K/Akt信號通路的負反饋增強，以防止自噬的過度激活和tau 蛋白過度磷酸化。綜合上述研究，運動可能通過促進APN 表達影響AMPK 激活和腦內胰島素信號傳導通路，從而激活PI3K/Akt 信號通路，抑制自噬（圖2）。

Figure 2.Possible mechanism of exercise inhibiting autophagy through adiponectin（APN）/phosphatidylinositol 3-ki?nase（PI3K）/protein kinase B（PKB/Akt）signaling.Exercise increases the expression of APN and adipo?nectin receptor 1（AdipoR1）in the brain.The latter activates its downstream signaling molecule AMP-acti?vated protein kinase（AMPK），which increases insu?lin sensitivity，thereby activating the downstream in?sulin signaling pathway insulin receptor substrate-1（IRS-1）/PI3K/Akt/mammalian target of rapamycin（mTOR）and inhibiting tau phosphorylation.In addi?tion，activation of mTOR and inhibition of forkhead box protein O1（FoxO1）by PI3K/Akt show a negative feedback effect on AMPK，effectively slowing down the overactive autophagy.圖2 運動通過APN/PI3K/Akt抑制自噬的可能機制

3.3 運動通過APN/AdipoR1/TFEB 增強自噬溶酶體途徑APN 通過AMPK 和TFEB 增強自噬溶酶體途徑。 研究發現，APN 通過增強小鼠骨骼肌細胞AMPK 活性而提高ULK1（Ser555）磷酸化、beclin-1、LC3-B 和溶酶體酶活性水平，降低p62 蛋白水平，從而提高自噬通量［57］。APN 通過激活乳腺癌細胞中AMPK/ULK1 促進LC3-B 轉化，溶酶體功能增強，自噬體-溶酶體融合和p62降解，進而提高自噬通量［58］。AMPK 對自噬溶酶體途徑的有益作用與TFEB 有關。研究表明，TFEB 通過上調LAMP-1 和LC3-B 的表達水平增強自噬溶酶體途徑，減少神經凋亡，從而發揮神經保護作用［59］。小鼠腦內AMPK-SIRT1 信號通路可以上調TFEB基因轉錄，一定程度上改善自噬溶酶體途徑，但對TFEB 核轉位的影響微乎其微［25］。這可能解釋了AD 自噬異常時為什么AMPK 活性升高而自噬溶酶體途徑卻仍存在障礙。研究發現，AdipoR激動劑促進TFEB核轉位及TFEB控制的自噬基因表達，包括LC3、p62、LAMP-1 和LAMP-2A，且這種激活取決于細胞內Ca2+，而與AMPK、細胞外信號調節激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2）、Akt 和mTOR 無關［60］。而運動能夠有效促進循環APN水平提高，進而提高腦內APN含量［14，29-30］。這提示，運動可能激活AD 腦內APN/AdipoR1/TFEB 信號通路，增強自噬溶酶體途徑，提高自噬通量（圖3）。

Figure 3.Possible mechanism of exercise enhancing autophagy/lysosomal pathway through adiponectin（APN）/adipo?nectin receptor 1（AdipoR1）/transcription factor EB（TFEB）signaling.Exercise increases the expression of APN and AdipoR1 in the brain.The latter pro?motes the nuclear translocation of TFEB，and acti?vates the downstream signal molecule AMP-activated protein kinase（AMPK）to promote the expression of TFEB.TFEB enhances the autophagy/lysosomal path?way by promoting the expression of autophagy-related genes，thereby increasing autophagy flux and effec?tively inhibiting Aβ and abnormal tau content.圖3 運動通過APN/AdipoR1/TFEB增強自噬溶酶體途徑的可能機制

4 小結與展望

運動是調節AD 腦細胞自噬異常、增強AD 患者認知功能的有效手段。APN 是由脂肪組織分泌的脂肪因子，其受體存在于大腦各部位，APN 與其受體結合可產生對神經系統的保護作用［55］。運動促進APN及其腦內受體的表達，但APN介導的運動調節AD自噬異常的具體機制尚不清楚，目前的資料提示可能的機制為：運動通過APN 激活AdipoR1/AMPK 和PI3K/Akt 等腦內胰島素信號傳導通路來調節AD 自噬異常，并通過激活APN/AdipoR1/TFEB 信號通路，增強自噬溶酶體途徑，以恢復自噬基礎活躍性和高效性，進而減少Aβ 和異常tau 蛋白的含量，保護神經元，從而增強AD患者的認知功能。

目前APN 及其受體在運動改善AD 腦細胞自噬中的作用和機制的研究仍有許多空白，需要繼續深入研究。應該進一步了解在多種AD 模型中，不同運動形式對APN、AdipoR和腦細胞自噬過程的影響，并利用基因敲除、拮抗劑和激動劑等手段探究APN 在運動調節AD 自噬異常中的病理生理意義，從而為揭示運動調節AD自噬的機制乃至AD的治療提供新的思路。